БАК готовится к многолетней остановке

Запланированная пауза под Женевой

В туннеле протяженностью 27 километров под франко-швейцарской границей операторы готовятся к завершению работы Большого адронного коллайдера (БАК) для продолжительной, тщательно спланированной паузы. ЦЕРН пересмотрел график работы ускорителя, согласно которому Run 3 БАК продлится до июля 2026 года; после этого установка и ее цепочка инжекторов перейдут в фазу Третьей длительной остановки (LS3) — многолетнего периода монтажа и переоснащения перед эрой БАК высокой светимости.

Что означает эта пауза на практике

Остановка не будет мгновенным отключением питания; это сложная последовательность запланированных периодов доступа, строительных работ и монтажа оборудования, которые преобразят как сам ускоритель, так и четыре крупных эксперимента на кольце. Цель состоит в том, чтобы подготовить БАК к работе с гораздо более высокой «светимостью» — технический термин, обозначающий количество столкновений, которые коллайдер может обеспечить в секунду, — чтобы физики могли собрать значительно большие массивы данных о редких явлениях. График и проектные страницы ЦЕРН определяют переход от Run 3 к LS3 и намеченный запуск программы БАК высокой светимости в районе 2030 года.

Модернизация ради десятикратного увеличения объема данных

БАК высокой светимости (HL-LHC) — это не единичное новое устройство, а скоординированный комплекс обновлений магнитов, криогенных систем, систем электроснабжения и самих детекторов. Его цель — увеличить интегральную светимость, доступную для экспериментов, примерно в десять раз за время работы Run 4, что позволит проводить прецизионные измерения бозона Хиггса и поиск чрезвычайно редких процессов, которые невозможно увидеть сегодня. Масштабы и продолжительность кампании по установке впечатляют: в сообщениях коллаборации HL-LHC описывается программа концентрированных работ во время LS3, охватывающая несколько лет активности в туннеле и на поверхности.

Почему важна высокая светимость

Большее количество столкновений означает для физики элементарных частиц две вещи. Во-первых, это повышает точность измерений — например, свойств бозона Хиггса — что может выявить крошечные отклонения от Стандартной модели, указывающие на «новую физику». Во-вторых, это повышает шансы увидеть очень редкие процессы или новые частицы, скорость рождения которых исчезающе мала. HL-LHC — это, по сути, статистический двигатель: постройте его, и вы дадите экспериментаторам исходный материал, необходимый для более глубокого изучения законов природы.

Что инженеры будут делать под землей

LS3 будет ориентирована прежде всего на инженерные задачи. Группы специалистов установят и введут в эксплуатацию новые сверхпроводящие цепи и магнитные системы, смонтируют модернизированные магниты внутреннего триплета вблизи точек столкновения, развернут улучшенную контрольно-измерительную аппаратуру и добавят инновационное оборудование, такое как краб-резонаторы, которые улучшают эффективное перекрытие пучков при столкновении. Коллаборации детекторов заменят или значительно модернизируют чувствительные подсистемы — трекеры, калориметры и электронику считывания, — чтобы они могли работать в условиях более интенсивного излучения и наложения событий (pile-up), которые возникают при более высокой светимости. Многие из этих работ требуют беспрепятственного доступа к инфраструктуре каверн и туннеля в течение многих месяцев.

Логистика и международное разделение труда

Поскольку БАК и его эксперименты являются международными проектами, программа LS3 распределена между лабораториями и промышленными предприятиями стран-участниц и институтов-партнеров. Производство компонентов HL-LHC уже идет во многих странах, и окно остановки — единственный практический период для сборки, транспортировки, установки и тестирования этих систем на месте. График включает в себя достаточный запас времени для проверки установок перед повторным вводом машины в эксплуатацию, так как сложность и энергия, запасенная в сверхпроводящих системах, не оставляют права на ошибку.

Наука не остановится в тишине

Несмотря на отсутствие пучков, ожидается, что научная отдача останется высокой. Физики будут анализировать огромный массив данных Run 3, проводя измерения, перекрестные проверки и поиски. Модернизация программного обеспечения, алгоритмов реконструкции и вычислительной инфраструктуры является неотъемлемой частью паузы: сообщество использует время простоя для улучшения цепочек анализа, повторной обработки данных с лучшей калибровкой и обучения новых моделей для вычитания фона и обнаружения аномалий. Как отметили комментаторы и руководство ЦЕРН, этот перерыв дает ученым возможность осмыслить уже собранный материал и уточнить вопросы, на которые должен ответить HL-LHC.

Энергия, экология и эксплуатация

Крупные ускорители являются энергоемкими установками, и ЦЕРН отслеживает потребление и воздействие на среду в рамках обсуждения модернизации. Организация опубликовала отчеты об экологии и энергетике, в которых подробно описывается ежегодное потребление электроэнергии и цели по сдерживанию роста потребления даже при повышении производительности. Некоторые компоненты машины (в частности, криогенные системы, поддерживающие сверхпроводимость магнитов) потребляют значительную мощность, даже когда пучки выключены, поэтому эксплуатационные и экологические аспекты учитываются при планировании графика и обеспечении устойчивости.

Расходы, политика и будущее коллайдеров

LS3 и HL-LHC — это следующий прагматичный шаг для получения новых физических данных на существующем кольце, но проектировщики одновременно намечают более долгосрочных преемников. ЦЕРН и его партнеры опубликовали концептуальные проекты предлагаемого Будущего кольцевого коллайдера (FCC) — кольца протяженностью около 91 километра, которое будет располагаться рядом с БАК или со временем заменит его. Предложение по FCC находится на стадии проектирования и потребует решений государств-членов и крупных капиталовложений, прежде чем оно сможет быть реализовано. То, как страны сбалансируют инвестиции в HL-LHC, будущие коллайдеры и другие исследовательские приоритеты, определит дорожную карту физики элементарных частиц на десятилетия вперед.

На что стоит обратить внимание

В ближайшие 18 месяцев стоит следить за тремя вещами: завершением сбора данных Run 3 и последующими публикациями; отчетами о ходе проекта HL-LHC по мере завершения испытаний и производства основных компонентов; и политическим календарем принятия решений о финансировании более крупных будущих установок. Каждое из этих событий повлияет не только на то, как будет проведена остановка, но и на то, что научное сообщество решит измерять, когда коллайдер снова будет запущен.

Таким образом, пауза в работе БАК — это одновременно и технический вызов, и тихая, осознанная перезагрузка. Машина, которая перезапустится в начале 2030-х годов, будет обладать другим характером: она создана не для того, чтобы достигать больших энергий, а для того, чтобы собирать данные о столкновениях с такой скоростью, которую сегодняшние приборы могут только вообразить. Для физиков и инженеров период остановки — это время, когда проектируется следующее поколение открытий, панель за панелью и магнит за магнитом; для общественности и политиков это напоминание о том, что эпоха крупной научной инфраструктуры часто чередует периоды интенсивного сбора данных с долгим и кропотливым строительством.

Источники

• ЦЕРН (пресс-релизы и обновления графика)
• Проектная документация и технические отчеты БАК высокой светимости (HL-LHC)
• Сообщения и отчеты о состоянии эксперимента CMS
• Сообщения эксперимента ATLAS
• Сообщения эксперимента LHCb